小模数齿轮齿廓偏差检查仪

小模数齿轮齿廓偏差检查仪测量原理及误差分析作者：河北工业大学测控103班李曼李姗姗梁静波于潇潇郭灿

一、综述

齿廓偏差是渐开线圆柱齿轮误差检测中的一个重要部分。它是实际齿廓偏离设计齿廓的量，该量在端平面内垂直于渐开线齿廓的方向计值。若齿轮存在齿廓偏差，则齿廓不再是标准的渐开线，不能保证瞬间传动比稳定，传动过程中振动和噪声增大、传动品质下降，因此，齿廓偏差对齿轮传动的平稳性具有很大影响。齿廓偏差测量也叫齿形测量，通常采用渐开线检查仪进行测量[1]。在高精密仪器仪表中，用于传动装置的大多都是传动平稳的小模数齿轮，小模数齿轮通常指模数小于1mm的齿轮.小模数齿轮的精度直接影响到仪器的工作性能和使用寿命。所以本文重点介绍小模数齿轮的齿廓偏差测量仪，将几种不同的测量方法进行对比及分析，在此基础上进行一些创新。

小模数齿轮齿廓偏差常用的检测方法有：基于视觉测量的齿轮并联测量技术、基于光纤测头的齿轮分析测量技术以及齿轮单面啮合测量技术。其测量原理有基于机械原理的检测方法，基于机器视觉的检测方法，基于单片机渐开线齿轮检查仪，激光齿轮测量仪等等。而机器视觉的测量方法又包括基于CCD的和CMOS 的。各种方法和原理都有自己的优点和不足。基于机械原理的是基础方法，本文将重点介绍基于CCD原理的检测方法与基于机械原理的检测方法。

关键词：小模数齿轮，齿廓偏差，机械原理，图像，CCD

二、原理

1、基于机械原理的小模数渐开线齿轮齿廓偏差检查仪[2]

如图1所示为小模数渐开线齿廓偏差检查仪测量原理。被测齿轮1与半径为R的基圆盘2同心安装在主轴上，基圆盘2由钢带将其与主拖板3相连。在主拖板3上安装了直尺5，其角度可以通过专门装置进行调整。在推力弹簧12的作用下，测量托板8始终与直尺5保持接触，在测量托板上安装了测量杠杆9和测微仪10.。转动手柄7时，传动丝杠4带动主拖板上下移动，基圆盘在钢带的带动下转动，同轴的被测齿轮随之转动。同时，直尺上下移动，测量托板水平移动，此时，测量杠杆感受的是被测齿轮的齿廓偏差信号，测微仪10将其进行放大和显示。这是一种机械式量仪,是用于齿廓误差测量的基础方法，精度可以满足要求，但是其测量是将被测量与标准量进行比较，所需测量链比较长，经过多次传动转换，结构比较复杂，测量环节也多，而且也不能进行在线测量。另外，标准量有误差时，测量结果误差也会变大，比如基圆2偏心、半径制造误差，直尺的直线度误差，直尺倾角的调整误差等都会影响最终测量结果，同时无法给出齿廓形状偏差与齿廓倾斜偏差，齿轮新国家标准已颁布贯彻实施,对于我国使用中数量众多的机械式齿轮检查仪,存在一个适应性的问题。因此小模数齿轮的新检

测方法相继出现。

图1

2、基于CCD图像处理测量方法[3]

（1）、原理

由于小模数齿轮模数小、齿小，难于测量的特点，本文借鉴利用图像测头的马尔非接触式三坐标测量机PMC650测量的方法。用图像测头对小模数薄齿轮进

行测量的方法，即用CCD摄像头把齿轮的图片拍摄下下来，然后对图像进行处理，得到清晰的边缘轮廓，进行曲线拟合等步骤得到齿轮的各项参数以及各项误差。图像测量系统主要由照明系统、CCD摄像机、图像采集卡、计算机以及相应的图像处理软件等组成。如图2所示：

图2 图像测量系统

其具体工作过程为，将被测齿轮置于尽可能均匀照明的背景前，CCD摄像机摄取到齿轮的图像，经过图像卡把图像数据采集到计算机内存，利用研制开发的齿轮图像处理与测量软件实现对齿轮几何参数的测量，最后由相应的输出设备输出测量结果。

齿轮分为两种，一类是中心有轴的，一类是中心有孔的。在测量时，以轴或者孔的中心为基准，然后从不同角度拍摄出几个齿廓的图像，找出齿廓的边缘，得到其坐标，进行曲线拟合，得到齿轮的各项参数。小模数齿轮的测量选择在有视频测头的三坐标测量机上进行。三坐标测量机是通过探头系统与工件的相对移动，探测工件表面点三维坐标的测量系统。视频测头进一步提高了三坐标测量机的应用，使得许多过去采用非接触测量无法完成的任务得以完成。一些诸如印刷线路板、触发器、垫片或直径小于0.1 m m的孔可采用视频测头进行测量。操作者可将检测工件表面放大50倍以上，采用标准的或可变换的镜头实现对细小工件的测量。小模数齿轮（m<=1.0）的齿很小，用可以放大数倍的视频测头就解决了小模数齿轮无法用齿轮单啮仪、双啮仪和机械测头测量的问题。

对轴齿轮的测量如图3所示，需要一个支架，使齿轮端面和透光测量平台的平面平行，在测量时，寻找轴齿轮的齿轮中心坐标的时候，要用到坐标测量机的顶光照明系统。打开顶光，先移动CCD视频测头到轴齿轮的中心位置，然后聚焦使轴齿轮的轴端面成像选择轴边缘的不同位置拍摄几副图片，通过图像处理找出轴齿轮的中心。然后关掉顶光，打开底光，移动CCD视频测头至齿廓位置，同测量孔齿轮方法相同，通过对不同齿廓所成图像的处理和计算得出齿轮的各项参数。孔齿轮的测量与其类似。

图3 轴齿轮测量

三、技术参数

PMC650的测量范围为:x方向是650mm，y方向是1200mm，z方向是500mm;工作台载重为700kg;长度测量不确定度为:E=(2+L/400)um, L是测量的长度;最大移动速度是300mm/s;其图像传感器是高分辨率的CCD摄像头，用程序可以存储图像到文件中，可以通过256阶灰度级进行数字图像处理，图像传感器的分辨率是2.4um。

1、CCD的主要参数如下[4]:

(1)分辨率。CCD是由许多面阵感光元素构成的,这些元素又称为像素,显然拥有的像素愈多,图像愈清晰。分辨率即是指拥有像素的多少,它决定了图像的清晰程度,分辨率愈高,拥有的像素愈多,图像细节就愈好,它是CCD的主要性能指标。

(2)信噪比:决定噪声的程度,经典值为46分贝,如果取50分贝,则图像中有少量的噪声,图像总体质量较好;如果达到60分贝,就不会出现噪声。

(3)灵敏度:也称为最小照度,是CCD正常成像时所需要的最暗光线,或者说CCD对环境光线的敏感程度。照度的单位是勒克斯(LUX),其数值愈小,表明需要的光线越少,摄像头也愈灵敏。

(4)电源:摄像头常用的供电方式有直流12V或9V;交流220V、110V、24V。

2、渐开线齿轮参数

渐开线齿轮的结构如图2-4所示,其主要参数有:

分度圆:分度圆是指齿轮上具有标准压力角和标准模数的圆,它是一个参考圆,主要是为了方便设计和制造。

齿根高:齿根是指位于分度圆与齿根圆之间的部分,齿根高等于齿根部分的径向局度。